Композиційні дорожні в'язкі матеріали
Органічні в'яжучі матеріали являють собою тверді, в'язкопластичні або рідкі речовини, що складаються з високомолекулярних сполук на основі вуглецю. Такі в'яжучі речовини зустрічаються в природі в чистому вигляді (природні) або виходять шляхом переробки продуктів органічного походження (штучні в'яжучі).
Сировиною для виробництва органічних в'яжучих матеріалів є нафта, природні бітумосодержащие або бітумінозні породи, кам'яне вугілля, горючі сланці, деревина, торф, побічні продукти промисловості. Фізико-хімічна переробка такого сировини (фракційна разгонка, суха деструктивна перегонка) дає, крім інших продуктів, смолообразниє залишки. В результаті додаткової переробки таких смолообразних залишків отримують органічні в'яжучі речовини.
Основні вимоги, яким повинні відповідати органічні в'яжучі, щоб вони в період об'єднання з твердим матеріалом володіли в'язкістю, що дозволяє добре його змочувати, обволікати, утворюючи водостійку плівку, щоб вони не змінювали свої властивості в часі.
Органічні в'яжучі застосовують для влаштування дорожніх покриттів автомобільних доріг, автомагістралей, швидкісних доріг, міських вулиць і доріг, алей і доріжок садів і парків, тротуарів, майданчиків для стоянки транспорту, майданчиків для контейнерних терміналів в портах або на залізничних станціях, проїжджих частин і тротуарів мостів і естакад, складних розв'язок і перетинань автодоріг в різних рівнях, підлог промислових будівель.
За хімічним складом, властивостями і виду сировини органічні в'яжучі для дорожнього будівництва поділяють на бітуми і дьогті. Останнім часом отримують застосування комплексні органічні в'яжучі: бітумодегтевие, Дегтебітумние, гудрокамовие (це продукти спільного окислення кам'яновугільних в'яжучих і нафтового гудрону), бітумо- і дьогтеполімерні, бітумогумової, сернобітумние, а також органічні в'яжучі речовини з побічних продуктів промисловості.
Бітуми - це органічні в'яжучі матеріали, що складаються з високомолекулярних вуглеводнів нафтенового, метанового і ароматичних рядів і їх кисневих, азотистих і сірчистих похідних сполук.
Дьогті - органічні в'яжучі речовини, що складаються з високомолекулярних ароматичних вуглеводнів і їх кислотних, азотистих і сірчистих похідних.
Бітуми по виду сировини поділяють на нафтові, одержувані з нафти і її смолистих залишків, природні, що зустрічаються в чистому вигляді, витягнуті з асфальтових гірських порід (пісковиків, пісків, вапняків), сланцеві, що є продуктом переробки сланцевої смоли і одержувані при сухій перегонці горючих сланців .
Дьогті отримують шляхом сухої перегонки кам'яного і бурого вугілля, торфу та деревини. Такі дьогті відповідно називають кам'яно або буровугільних, торф'яними і деревними.
Органічні в'яжучі умовно поділяють на тверді, в'язкі і рідкі в залежності від будівельних властивостей і консистенції при нормальній температурі. Тверді органічні в'яжучі при температурі 20-25 ° С мають в'язко-пружними властивостями. Такі в'яжучі набувають рухливість і плинність при температурі 180-200 ° С.
В'язкі бітуми і дьогті при температурі 20-25 ° С знаходяться в в'язкопластичні стані з незначною пружністю. Перехід їх у текучий стан відбувається при нагріванні таких в'яжучих до температури 120-180 ° С.
Рідкі дьогті і бітуми при 20-25 ° С знаходяться в рідкому малорухливому стані. В інтервалі температур 20-120 ° С вони стають текучими. У міру окислення, полімеризації і випаровування легких фракцій рідкі бітуми набувають властивостей в'язких, а потім твердих бітумів. Крім нагріву, в'язкі і рідкі органічні в'яжучі переводять в текучий стан шляхом емульгування.
Дорожня емульсія - це дисперсна система, що складається з органічного в'яжучого матеріалу, дисперсированих у водному середовищі з емульгатором, що надає емульсії стійкість. При розподілі емульсії тонким шаром по поверхні кам'яних матеріалів відбувається її розпад з виділенням в'язкого матеріалу.
В'язкі і рідкі органічні в'яжучі речовини в розплавленому стані або у вигляді емульсії застосовують для приготування асфальто і дьогтебетонних сумішей, чорного щебеню, чорного гравію, зміцнення ґрунтів, при проведенні різноманітних дорожніх робіт.
Старіння органічних в'яжучих матеріалів і способи підвищення їх стабільності
Органічні в'яжучі в процесі їх роботи в дорожніх покриттях піддаються впливу всього комплексу атмосферних опадів і з плином часу змінюють свої властивості.
За умовами механічного зносу асфальтобетонні дорожні покриття товщиною 4 см повинні служити 30-40 років, але дуже часто їх руйнування відбувається значно раніше (через 7-10 років) за рахунок передчасного старіння бітуму і втрати ним в'язкопластичних властивостей.
Основна причина старіння органічних в'яжучих полягає в випаровуванні масел, яке залежить від температури їх кипіння, величини поверхні випаровування і пружності парів, що насичують простір. Випаровуються речовини з молекулярною масою нижче 400.
Другим істотним фактором старіння органічних в'яжучих є хімічна зміна їх компонентів та утворення нових речовин. Ці зміни в основному пов'язані з процесом окислення. Процес окислення може прискорюватися під дією ряду факторів: сонячного світла, теплового або механічного впливів, солей металів змінної валентності: заліза, міді, марганцю та ін.
Нерозривно зі зміною групового складу бітумів відбувається зміна їх структури, підвищуються в'язкість, теплостійкість, пружність, знижується пластичність, через певний час бітуми стають крихкими.
Проведені дослідження на Заході і в СНД по підвищенню стійкості високомолекулярних (полімерних) матеріалів до окислення (старіння) показали, що для їх уповільнення можна вводити спеціальні добавки - інгібітори (противостарители). По механізму впливу вони поділяються на дві групи. До першої групи належать речовини, обривається окислительную ланцюг реакцій, інгібітори, що реагують з вільними радикалами на стадії їх утворення. Такими речовинами є антоксіданти аминного і фенольного типу.
До другої групи належать речовини, що запобігають розкладання гідропероксидів по радикальному механізму, тобто руйнують гідропероксиди до неактивних для розвитку окисної ланцюга продуктів. До них відносяться сульфіди, тіофосфати, солі діалколдітіокарбомінових кислот.
Для підвищення структурної стабільності бітуму, особливо в хімічно активних середовищах (кислих і лужних), рекомендується застосовувати регенерату бутилкаучукових відходів шинної промисловості в кількості 6-10%. Така добавка є комплексною, бо вона, крім уповільнення старіння, надає пластифікуючі дію, розширює інтервал пластичності як в області позитивних, так і в області негативних температур.
Добавки, які поліпшують властивості органічних в'яжучих матеріалів
Через недостатню кількість нафтових бітумів, придатних для дорожнього будівництва, і з метою поліпшення властивостей бітумів останнім часом в розвинених країнах Заходу і Східної Європи розробляються і впроваджуються різні добавки в бітум.
Добавки, що вводяться у відносно великій кількості, які суттєво впливають на структуру і властивості одержуваних в'яжучих, називають композиційними, або комплексними. Широко розповсюдженими комплексними в'яжучими є бітумодегтевие, бітумополімерного, дегтебітумополімерние.
З метою поліпшення властивостей органічних в'яжучих (бітумів і дьогтів): підвищення їх прилипання до кам'яних матеріалів (адгезії), пластичності при низьких температурах, погодо- і теплостійкості, зниження в'язкості в їх склад вводять необхідні добавки в кількості до 20%.
Добавки можуть класифікуватися за ознаками (способу введення в бітум, розчинності та інше).
Розпалюють добавки вводять для зниження в'язкості. Разжижителі ароматичного ряду будуть при інших рівних умовах давати більш стабільні розчини, бо в більшості бітумів і дьогтів переважають циклічні і ароматичні комплекси.
Для приготування рідких бітумів і дьогтів застосовують гас, нафту, нафта, мазут, рідкі крекінг-залишки, антраценовое масло.
Застосування розріджувачів, що містять ароматичні вуглеводні, призводить до пластифікації бітуму.
Такі добавки вводять в бітум для зменшення його крихкості, зниження температури склування і надання йому більшої пластичності.
Добавки, які поліпшують прилипання бітуму до мінеральних матеріалів
Такі добавки вводять безпосередньо в бітум і в мінеральну суміш. Введення в бітум добавок, що містять полярні групи і збільшують рухливість ланок високомолекулярних сполук, сприяє підвищенню його адгезії до кам'яних матеріалів. Такими добавками є поверхнево-активні речовини.
Поверхнево-активні добавки по фізико-хімічної взаємодії поділяються на іоногенні і неіоногенні. Іоногенні матеріали також підрозділяються на аніонактивні і катіонактівних. У аніоноактивних речовинах вуглеводнева частина молекул входить до складу аніону, а в катіонактівних - до складу катіона. До аніонактивної добавок відносяться високомолекулярні органічні кислоти, милонафт (солі нафтенових кислот), похідні карбонових кислот (мила, феноли).
До катіонактівних речовин відносяться аміни, солі амінів і четирехзамещенние амонієві підстави.
Дисперсні (структурують) добавки
Вони служать для поліпшення механічних властивостей, підвищення температурної стійкості. До таких добавок відносяться наповнювачі (наповнювачі), які за формою частинок поділяються на порошкоподібні і волокнисті. До волокнистих наповнювачів відносяться волокна азбесту, мінеральної вати, синтетичних смол, відходи текстильного виробництва. Волокнисті наповнювачі, розподіляючись в обсязі в'яжучого, армують його і при невеликому їх зміст (5-10%) значно підвищують міцність. Порошкоподібні наповнювачі з гірських порід (доломіт, вапняки) застосовуються більш широко.
Інші спеціальні добавки
Їх вводять для підвищення вогнестійкості: 1-5% фосфатів (ортофосфорної кислоти), квасцов, сульфіту амонію, похідних брому.
Для стійкості до дії масел і палива в бітум додають сірку. Проведені у Франції дослідження показали, що введення певної кількості сірки в бітум дозволяє отримати в'яжучий зі специфічними властивостями: в гарячому стані низька в'язкість сірки робить в'язке більш рідким, ніж бітум; в холодному стані осадження розчиненої сірки сприяє утворенню пластичної суміші, потім кристалізація сірки забезпечує ще більшу жорсткість суміші.
Для приготування кольорових асфальтобетонів застосовують безбарвні кумаронові поліефірні смоли, каніфоль, поливинилацетатную емульсію. Для пластифікації зазначених смол застосовують різні масла: тунговое, талловое, антраценовое, оліфу.
Композиційні, або комплексні, органічні дорожні в'язкі
Такі в'яжучі одержують з використанням побічних продуктів промисловості. Останнім часом в країнах Заходу і Східної Європи запропоновано багато різних добавок (пластифікуючих, що модифікують) до органічним в'яжучим, які вводяться в досить великій кількості (10-20%), що дозволяє раціонально використовувати відходи і збільшити вихід в'яжучого.
В останнє десятиліття збільшився попит на використання побічних (техногенних) продуктів різних галузей. У нафтової і коксохімічної галузях: лужних відходів (милонафта), що утворюються при переробці нафти смоли піролізу нафтових залишків, інденкумаронових смол, кубових залишків виробництва синтетичних жирних кислот і смоли бензольного відділення, смол, що утворюються при переробці кам'яного і сланцевого сировини (антраценового смола, пек, фуси), залишків від регенерації відпрацьованих масел. У хімічному, полімерному виробництвах використовуються відходи, що утворюються при виробництві полістиролу, поліетилену, полівінілхлориду, фенолформальдегідних смол, каучуку; зношена гума. У лесохимической і целюлозно-паперової промисловості - лігнін, технічний лігносульфонат, талловим пек.
Дегтебітумние, бітумодегтевие органічні в'яжучі
Бітуми мають більший інтервалом пластичності, більш стабільні, менш токсичні, дьогті мають краще зчеплення з кам'яними матеріалами. Тому при взаємному змішуванні цих в'яжучих і їх компонентів (масел, смол, пеку) можна поліпшити властивості отриманого комплексного в'яжучого. Такі в'яжучі набули поширення в країнах Європи і США.
Для підвищення в'язкості бітуму в Англії і ФРН використовують добавку до бітуму або гудрону кам'яновугільного пеку з температурою розм'якшення 50-80 ° С в кількості 20-30%. Застосування пекобітумного в'яжучого показало високу стійкість покриття до зносу і меншу його слизькість.
В'язке: бітум плюс кам'яновугільна смола плюс полімер
Як полімеру для приготування таких в'яжучих у Франції використовується етиленвінілацетат.
Приготування в'яжучих здійснюється шляхом перемішування в гарячому стані полімеру зі складом, що містить бітум і кам'яновугільну смолу, переважно в стаціонарних установках.
Результатом модифікації бітуму і кам'яновугільної смоли Етиленвінілацетат є збільшення в'язкості; зменшення термічної чутливості; підвищення когезії.
Ці в'яжучі використовують виключно для влаштування поверхневої обробки на дорогах з високою інтенсивністю руху.
Для розподілу такого в'яжучого по поверхні покриття дороги застосовується таке ж обладнання, як і для розподілу флюсірованного бітуму.
Євген МАРГАЙЛІК, інженер і патентознавець ВОИР